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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Ce qui caractérise l’Univers, c’est le mouvement ?

Ce qui caractérise l’Univers, c’est le mouvement ?

jeudi 5 février 2015, par Robert Paris

« Est-ce que l’électron est en mouvement ? Comment le savoir ? Est-ce qu’un anti-atome tombe vers le haut ? Est-ce que le vide est réellement vide ? (…) Une particule peut-elle être influencée par un champ électrique ou magnétique – qui n’est pas présent – c’est-à-dire qu’elle ne traverse pas ? Comment est-il possible que des particules émises aléatoirement arrivent préférentiellement par pairs sur un détecteur – ou, au contraire, parviennent à s’éviter ? Se peut-il qu’en observant de la lumière à Londres, cela ait un effet sur la radiation correspondante à New York ? Est-ce que le rayonnement polarisé à gauche interagit différemment sur la matière que le rayonnement polarisé à droite ? Comment la lumière peut-elle être plus brillante en rebondissant sur une surface (sans violation de la loi de conservation de l’énergie) ? Est-ce qu’une balle de basket change en tournant de 360° ? Probablement que non, mais que dire de l’électron ? Quelqu’un peut-il nous dire la différence entre un électron qui a subi un saut quantique avant de revenir à son état d’origine et celui qui n’a pas subi un tel saut quantique ? Y a-t-il réellement quelque chose comme un « démon de Maxwell » ? Non ? – alors comment expliquer qu’un tube puisse souffler d’un côté de l’air chaud et de l’autre de l’air froid. »

Mark Silverman dans "And Yet it moves" (et pourtant elle bouge)

Mouvements de la mer, turbulence du mouvement des gaz électrons qui gravitent autour du noyau (est-ce une bonne image ?), agitation des atomes, mouvement des amas de galaxies, mouvement brownien moléculaire, mouvement universel à notre échelle, le mouvement est-il le principe général qui détermine tout : matière, lumière et vide, énergie, température, pression, déplacement et matière ?

Ce qui caractérise l’Univers, c’est le mouvement ?

L’univers matériel et lumineux et celui qui le fonde, l’espace-temps du vide, sont-ils fondés sur le mouvement et les échanges de quantité de mouvement ? On sait qu’à chaque niveau hiérarchique de la matière (des amas de galaxies aux atomes, aux particules et aux quarks) on trouve des structures et de l’agitation entre ces structures, agitation portée par de l’énergie lumineuse (des bosons) et les transferts d’un niveau à un autre se font par échanges d’énergie, sous forme de quantité de mouvement. L’immobilité de la matière dite inerte, par opposition à la matière vivante, n’est qu’apparente. La pierre, immobile, est agitée en son sein par de multiples mouvements entre molécules (mouvement brownien), entre atomes, mouvements des électrons au sein des atomes et entre atomes, mouvements des noyaux atomiques, etc…

Le mouvement serait-il donc le principe commun à tous ces univers emboités ?

Mais comment concevoir le mouvement ? Est-ce un déplacement devant un écran que constituerait l’espace-temps du vide ? Le vide lui-même apparaît agité par ses particules et antiparticules dites virtuelles, leur mouvement, leurs apparitions et leurs disparitions. Dans des temps extrêmement courts, il peut faire apparaitre et disparaitre de l’énergie. La conservation du mouvement n’est pas sa loi universelle. Pas plus que la conservation de l’énergie. Or le vide fonde la matière aussi bien que la lumière.

Si le vide est fondateur, on peut y rechercher un principe qui le relierait aussi bien à la matière qu’à la lumière. Or, dans le vide on trouve deux principes de base qui se retrouvent ensuite dans la matière et dans la lumière. Ces deux principes sont les quanta et les charges électriques. Ils vérifient tous deux les régles suivantes : ils sont universels, ils se conservent aussi bien dans les tranformations que dans les mouvements, aussi bien localement que globalement. Ils n’apparaissent pas et ne disparaissent pas.

Peut-on alors espérer fonder la physique sur le mouvement des quanta et des charges électriques ?

Tout d’abord il convient de chercher ce que sont les quanta et les charges et à quelles lois générales ils obéissent.

Remarquons tout d’abord que ces deux notions sont de création humaine récente et donc ils ne crevaient pas les yeux, à l’observation des mécanismes naturels.

Ce qui semblait crever les yeux des observateurs durant de longs siècles, c’étaient les masses de matière et leur mouvement. C’était aussi la matière elle-même, sa compacité, son volume, ses formes. C’était enfin l’effet de la matière et de la lumière, la production de lumière par la matière chauffée par exemple. C’était aussi l’opposition apparente entre les lois de la matière et les lois de la lumière.

Les quanta ont réconcilié largement matière et lumière puisque tous deux sont faits des mêmes quanta. Tous deux observent la même dualité onde/corpuscule. Tous deux obéissent aux mêmes règles quantiques et notamment les inégalités d’Heisenberg empêchant l’action de descendre en dessous d’un quanta.

Le caractère quantique est le fait que l’action minimale est l’action de Planck h et que l’on ne peut pas descendre en dessous, toutes les autres actions ne pouvant qu’être des multiples de h.

C’est tout aussi vrai pour la matière que pour la lumière, ainsi que dans le vide quantique.

Toute structure comme tout échange, toute transformation ne peut que concerner un nombre entier de quanta et, au début comme à la fin ou au cours de la transformation, on trouvera toujours exactement le même nombre de quanta…

On ne pourrait pas en dire autant d’autres paramètres comme la masse, l’énergie, la vitesse, la fréquence, etc…

Les quanta sont simples car ils s’additionnent tout simplement comme on croyait autrefois que les masses s’additionnaient.

On sait aujourd’hui qu’un atome, par exemple fait d’un électron et d’un proton, n’a pas une masse qui serait le total de la masse de l’électron et de celle du proton car la masse des structures matérielles comprend aussi l’énergie des particules de liaison (bosons).

Le principe de base ne peut donc pas être la masse. voir ici

Au début de la physique, c’est la mécanique qui l’a emporté et elle a donné comme principe de base du mouvement une quantité mathématique : la vitesse ainsi que son changement, l’accélération.

La physique quantique a démontré que la vitesse n’est pas un paramètre indépendant puisqu’elle est couplée à la position des particules en mouvement.

La constance du quanta impose que la variation de vitesse soit inversement proportionnelle à la variation de position. Connaitre précisément la vitesse d’une particule quantique n’est donc possible que si on ignore complètement sa position. Plus on restreint la dimension de la zone où on veut que la particule soit positionnée, plus elle accroit sa variation de vitesse. Connaitre à la fois position et vitesse précisément est impossible, non par manque de matériel d’observation mais du fait de la constance des quanta en jeu. On peut imager la situation de la manière suivante : un petit être vivant que l’on voudrait enfermer dans une cage, plus celle-ci serait étroite, plus l’animal tenterait de s’agiter pour en sortir… C’est ce que l’on appelle les inégalités d’Heisenberg. Elles imposent que la précision des mesures des paramètres couplés soit inversement proportionnelle.

Toute l’ancienne mécanique (dite classique par opposition à la mécanique quantique) était fondée sur des trajectoires dans lesquelles on connaissait à la fois position et vitesse à chaque instant. Elle doit être complètement abandonnée pour les objets de la taille de un ou de quelques quanta. Elle redevient approximativement correcte pour des objets constitués d’un nombre considérable de qanta car les variations se compensent alors globalement.

Parler de mouvement des masses n’est pas possible au niveau quantique car la masse n’est pas attachée à une particule donnée. Elle est une propriété qui saute d’une particule du vide à une autre, en suivant les bosons de Higgs.

Le vide quantique n’est pas le rien, comme dans l’ancienne mécanique où on trouvait seulement dans ce vide des dimensions d’espace et de temps prééxistantes sans substrat matériel interagissant avec la matière en mouvement.

Le vide est… plein de particules et d’nntiparticules de toutes sortes qui apparaissent et disparaissent dans des durées très courtes et sont toujours accouplés : une particule et son antiparticule, les deux formant un quanta élémentaire h de Planck. Le vide ne peut faire apparaître des quanta qu’à condition de les rendre dans un temps extrêmement court. Cette apparition et cette disparition sont équivalentes à une fluctuation du temps.

De même, chaque particule élémentaire, chaque structure matérielle, ou chaque photon lumineux correspond à un ou un nombre entier de quanta h de Planck.

La fréquence du photon est l’énergie divisée par le quanta de Planck. Un groupe de photons a un nombre quantique qui est le produit du nombre de photons par le quanta de Planck h.

Le nombre quantique de la particule (un nombre entier de quanta élémentaires h de Planck) est le produit d’une dimension d’énergie et d’une dimension de temps, ou ce qui revient au même, d’une dimension d’espace et d’une dimension de quantité de mouvement. Il en résulte que l’on ne peut préciser en même temps la position et la quantité de mouvement… De même encore le moment angulaire et la phase sont des quantités couplées qui ne peuvent pas être précisées en même temps.

Quand des matières se composent ou se décomposent, formant ou détruisant de nouveaux atomes, de nouvelles molécules, de nouveaux noyaux atomiques, etc, la masse totale n’est pas conservée, l’énergie totale n’est pas conservée mais le nombre quantique total est conservé.

L’Univers semble donc bel et bien constitué de quanta.

Voici ce qu’en dit le physicien quantique Mark Silverman dans "And Yet it moves" (et pourtant elle bouge) « La conservation de la charge électrique est l’une des lois de conservation les plus strictement observée. A ma connaissance, aucune violation de cette loi n’a été observée. (...) La conservation de la charge est un phénomène local. »

« Est-ce que l’électron est en mouvement ? Comment le savoir ? Est-ce qu’un anti-atome tombe vers le haut ? Est-ce que le vide est réellement vide ? (…) Une particule peut-elle être influencée par un champ électrique ou magnétique – qui n’est pas présent – c’est-à-dire qu’elle ne traverse pas ? Comment est-il possible que des particules émises aléatoirement arrivent préférentiellement par pairs sur un détecteur – ou, au contraire, parviennent à s’éviter ? Se peut-il qu’en observant de la lumière à Londres, cela ait un effet sur la radiation correspondante à New York ? Est-ce que le rayonnement polarisé à gauche interagit différemment sur la matière que le rayonnement polarisé à droite ? Comment la lumière peut-elle être plus brillante en rebondissant sur une surface (sans violation de la loi de conservation de l’énergie) ? Est-ce qu’une balle de basket change en tournant de 360° ? Probablement que non, mais que dire de l’électron ? Quelqu’un peut-il nous dire la différence entre un électron qui a subi un saut quantique avant de revenir à son état d’origine et celui qui n’a pas subi un tel saut quantique ? Y a-t-il réellement quelque chose comme un « démon de Maxwell » ? Non ? – alors comment expliquer qu’un tube puisse souffler d’un côté de l’air chaud et de l’autre de l’air froid. »

« Pour celui qui n’est pas accoutumé à l’application des mathématiques à la physique, il peut sembler surprenant qu’une analyse bien conduite puisse mener à des résultats ambiguës. L’image populaire (imméritée) de la physique est d’être une science mathématiquement rigoureuse qui impliquerait qu’une fois données les équations du mouvement d’un système, on pourrait toujours en principe (pas forcément facilement) permettre de les résoudre – et, que si les équations étaient correctes, alors leurs solutions permettraient de décrire précisément le système. Et pas deux possibilités pour celui-ci ! Malheureusement, la situation est rarement aussi simple. Les équations qui gouvernent les systèmes physiques – et qui sont généralement des équations différentielles mettant en relation les rythmes temporels et spatiaux de changement de la dynamique quantitative – donnent généralement plus d’une solution, peut-être une infinité de solution, qui se distinguent par le choix des conditions initiales (en spécifiant un état du système à un moment donné) ou des conditions restrictives (en spécifiant un état du système à un endroit donné). »

On peut encore lire dans le même texte de Silverman :

Si je devais décrire en un mot sur quoi porte la physique, je serai tenté de dire : « le mouvement », comprenant ainsi non seulement le mouvement des particules mais aussi des phénomènes comme la dynamique des fluides, la propagation des ondes, la conversion de chaleur en travail ou les transitions entre les états quantiques… Le concept de mouvement est fondamental pour des domaines qui dépassent largement celui de la physique. Il soutend notre perception de la réalité. Quand Zénon d’Elée a présenté ses paradoxes au quatrième siècle avant J.-C., il n’était pas seulement en train de produire une paralysie mentale chez ses collègues mathématiciens, mais il cherchait plutôt à diffuser les thèses de son mentor, le philosophe mystique Parménide, qui affirmait que le monde des sens n’était qu’illusion. C’est ce que pensait Zénon :

« Si le mouvement, qui envahit toutes choses, peut être montré comme auto-contradictoire et par conséquent irréel, alors toute chose doit également assumer la même qualité d’irréalité. En convaincant les gens de l’irréalité du mouvement, je peux… discréditer avec succès le monde des sens. » (cité par Edna E. Kramer dans « La nature et le développement des mathématiques modernes »)

(…) Zénon est né il y a quelques 2500 ans, et trop tôt, car, comme il aimait les paradoxes, il aurait adoré la physique quantique ! Parmi de nombreuses autres choses, la mécanique quantique nous a ôté nos certitudes sur le mouvement – en tout cas sur le mouvement tel qu’il est perçu par nos sens. Contrairement à notre observation du mouvement des objets macroscopiques, personne ne peut observer le mouvement d’une particule élémentaire. Pour qu’un objet soit vu, il doit soit émettre de la lumière soit refléter de la lumière qui lui est envoyée. Alors que la réflexion de la lumière de la lune ou celle provenant de l’émission lumineuse d’une source chaude pourra difficilement altérer le mouvement d’un objet macroscopique, l’interaction de la lumière avec une particule élémentaire peut changer radicalement son comportement. On peut, certes, se débrouiller pour illuminer une particule élémentaire ‘doucement’ (c’est-à-dire avec des photons d’une faible énergie) en ne changeant pas énormément son moment. L’énergie du photon, cependant, est inversement proportionnelle à sa fréquence et une particule illuminée (qui reçoit un photon lumineux) ne peut pas être localisée dans un territoire plus précis que la dimension de la longueur d’onde utilisée pour la visualiser… Au niveau quantique, le mouvement ne peut pas être vu directement ; il doit être cherché au moyen de la physique théorique.

Heisenberg, l’un des contributeurs fondamentaux de la mécanique quantique qui beaucoup pensé à la nature de la théorie physique, était très clair à propos de ce qui n’allait pas là-dedans :

« … Il semble nécessaire d’exiger qu’aucun concept ne soit introduit dans la théorie qui ne soit pas vérifié expérimentalement avec au moins un degré de certitude aussi grand que les expériences que l’on prétend expliquer par la théorie. »

Malheureusement, comme le reconnaissait Heisenberg lui-même :

« … Il est presque impossible de répondre à une telle exigence, puisque les idées et les termes communs doivent être le plus souvent abandonnés. »

Des termes comme orbite, trajectoire, vitesse – des termes familier dans la terminologie newtonnienne et définissant la conception classique du mouvement…

Pourtant, il est certain qu’une particule élémentaire se meut. Sinon, comment comprendre les photographies de particules alpha (des noyaux d’atomes d’hydrogène) dans la chambre à bulles de Wilson ? (…) Les traînées ont été laissées par la formation de microbulles dues à des molécules ionisées condensées au sein de la vapeur d’eau (ou d’alcool) par le passage des particules chargées. Est-ce que ces traînées de condensation ne sont pas la marque de trajectoires de ces particules énergétiques chargées. N’est-ce pas des trajectoires de particules qui sont ainsi marquées ?

Techniquement non – pas une trajectoire. La continuité des trainées de condensation produites par de nombreuses collisions et ionisations (discrètes cependant) est illusoire. De plus, après chaque collision, le mouvement de la particule est changé d’une manière imprédictible. Une position et une vitesse précises de la particule à chaque instant sont impossibles conjointement pour la particule ionisée …

Mais à propos des électrons à proximité d’un atome, peut-on dire qu’un électron lié (à un atome) est en mouvement ?

Du point de vue semi classique que l’on trouve dans le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène, un électron lié à un noyau atomique de charge + Z e se déplacerait à proximité du noyau dans une orbilte circulaire correspondant au nombre entier quantique principal orbital n à la vitesse de v = 2 pi Z e² / n h

Cela signifie que v/c est Z/n fois la constante de structure fine de Sommerfeld : 2 pi e² / nh soit approximativement 1/137. Cette constante donne l’échelle des interactions entre particules chargées avec des champs électromagnétiques. Bien que non relativiste (v/c vaut approximativement 0,007), la vitesse de l’électron à un niveau de base de l’atome d’hydrogène (Z=n=1) est prédite par le modèle de Bohr au niveau de deux millions de mètres par seconde, nullement une quantité insignifiante pour être mesurée dans une de nos expériences.

Dans une description quantique de l’atome d’hydrogène, la situation n’est pas aussi simple… Il semble que le concept d’orbite ou de trajectoire soit de peu de signification ou même d’aucune….

Dans chaque phénomène, une relation d’incertitude peut être établie entre deux quantités mesurables accouplées correspondant à des opérateurs quantiques qui ne commutent pas, par exemple le moment angulaire et la position angulaire…. Si la fonction d’onde e l’électron dans l’atome d’hydrogène – contrairement à un électron libre – est caractérisée par un moment angulaire parfaitement défini, alors sa position angulaire est complètement délocalisée autour du noyau…

Le calcul quantique du rayon orbital de l’électron autour du noyau (pour un nombre quantique principal n et un numéro atomique Z), en accord avec le modèle de Bohr est R = n² x a0 x Z où a0 vaut h²/me² soit le rayon de Bohr de l’électron de 5 x (10)-9.

L’électron bouge-t-il ?

Le calcul de la vitesse de l’électron est en un sens un problème indéfini car ce n’est pas la vitesse mais le moment qui joue un rôle clef dans les formulations de la mécanique quantique…

Le calcul quantique mène à une vitesse nulle…

La théorie de l’opérateur de vitesse de Dirac… mène à des valeurs propres de la vitesse de + ou – c, ce qui semble indiquer que l’électron devrait se déplacer à la vitesse de la lumière. Que voulez-vous tirer de tout cela ? (…)

La distribution de probabilité de trouver un électron dans une région autour du noyau indique des régions sans connexion entre elles. Par exemple, la distribution radiale de l’électron dans un état 2s consiste en deux régions déconnectées séparées par une surface sphérique de rayon 2xa0 où a0 est le rayon de Bohr sur laquelle la probabilité de trouver un électron est zéro.

Etant doné qu’il n’y a qu’un électron en liaison avec le noyau, on peut se demander comment l’électron peut faire pour aller d’une zone à une autre sans jamais passser à 2xa0 du noyau !

La réponse est simple : la propriété d’un état stationnaire ne correspond pas à une description causale d’un mouvement d’une particule.

S’il y a deux points correspondant à des états stationnaires, cela ne signifie pas que l’on connaisse la trajectoire de cette particule entre ces deux points…

L’un des attributs des particules qui sont en un sens à la fois familière et mystérieuse est celle de la charge électrique. La théorie de l’électrodynamique quantique apporte une description complète et correcte (autant que l’expérimentation ait pu le confirmer) de l’interaction entre matière chargée et champs électromagnétiques. Et pourtant, assez curieusement, nous ne savons pas exactement ce qu’est la charge électrique, mais nous connaissons seulement son effet. Ou, également significativement, nous savons ce qu’elle ne fait pas.

La charge électrique, par contre, ne change pas. La conservation de la charge est l’une des lois de conservation de la physique les plus strictement vérifiées. A ma connaissance aucun phénomène reproductible de violation de la conservation de la charge n’a été rapporté. De plus, ce n’est pas simplement une question de bilan global de la charge, comme dans le cas, par exemple, d’un électron créé à une extrémité d’un laboratoire et un positron à l’autre extrémité. La conservation de la charge est locale ; il n’y a aucune violation dans aucune région de l’espace-temps autant que les limites des incertitudes quantiques permettent de l’établir…

Il y a une autre propriété, peut-être encore plus profonde, c’est que la charge électrique ne change pas ; elle est indépendante de sa vitesse. Considérée comme parfaitement vérifiée, cette propriété est un fait remarquable de la nature, car de nombreuses propriétés de la particule dépendent, elles, de la vitesse. La masse apparente ou intertielle de la particule, par exemple, augmente avec la vitesse de la particule ; dès que la particule approche de la vitesse de la lumière, il faut un très grand accroissement de la force requise pour produire la même augmentation de vitesse. Accélérer une particule massive à la vitesse de la lumière nécessiterait une force infinie et cela n’est donc pas possible. Par contre, la charge de la particule n’est pas affectée par la vitesse ; on dit que c’est un invariant de Lorentz…

Pourtant, l’invariance de la charge, contrairement à la conservation de la charge, n’est pas considérée jusqu’à présent comme conséquence d’un principe plus fondamental, mais doit être considéré seulement comme une constatation expérimentale…

Dans une série d’expériences réalisées durant trente ans, J.G. King a établi que la différence entre les charges de l’électron et du proton au sein d’atomes d’hélium est nulle, avec une précision de 1 divisé par dix puissance vingt ! (…)

Mais l’invariance de la charge n’est-elle pas imputable au fait que la charge ne se déplace pas en réalité ? (…)

Si l’électron une particule chargée classique (non quantique) orbitant autour d’un centre de force, cela devrait se manifester par un effet Doppler de décalage des radiations émises en différents points de la trajectoire de l’électron… Bien entendu, l’électron n’est pas une particule classique – et la preuve immédiate de cela est l’existence même des atomes. Si l’électron émettait des radiations comme décrit plus haut, l’atome s’effondrerait sur lui-même au bout dix puissance moins onze secondes ! »

La conservation de la charge électrique est un principe physique. Il exprime que la charge électrique d’un système isolé est un invariant. La charge électrique ne peut donc être qu’échangée avec un autre système mais ni créée ni annihilée. On dit qu’il s’agit d’une grandeur conservative.

Cependant, on ignore complètement aujourd’hui ce qu’est la charge, comment elle est liée à la matière (une particule pouvant perdre sa masse mais pas sa charge électrique !), à la lumière et au vide, comment elle fait pour se conserver et pourquoi elle n’est pas modifiée par un mouvement, y compris un mouvement accéléré…

En effet, une charge en mouvement perd de l’énergie et produit une modification du vide (champ électromagnétique). Malgré la modification de son énergie due au mouvement de la charge, il n’y a aucune modification de la charge elle-même. C’est la propriété d’invariance de la charge électrique (pas de modification de la charge au cours d’un mouvement ou d’une transformation, par exemple une décomposition de particule, de noyau, d’atome ou de molécule) à ne pas confondre avec la propriété dite de conservation de la charge (pour laquelle tout système isolé ne change pas de charge électrique et tout système qui augmente sa charge doit avoir reçu exactement la même charge de l’extérieur).

Cette situation curieuse (à la fois invariance et conservation), la physique ne l’explique pas, ne l’interprète pas. C’est donc considéré comme un principe qui est, sans exception, vérifié au cours de toutes les expériences jusqu’à présent.

Même au sein du vide, ce principe ammène le fait qu’autant de charges négatives que de charges positives doivent être créées et que dans un volume donné, il y a égalité entre le gain de charges et l’entrée de ces charges venues de l’extérieur. Il ne peut donc se créer de charges d’un seul signe…

L’univers entier contient donc, à tous les niveaux, des charges électriques mais elles ne cessent jamais de s’équilibrer, que ce soit dans la matière, dans la lumière ou dans le vide.

Cela provient du fait que toutes les charges élémentaires sont identiques mis à part leur signe.

Toutes les charges électriques ne peuvent qu’être un multiple de la charge élémentaire e = 1.602 176 565(35) × 10−19 C. Il n’existe pas de charge un demi de e ou 1,23 e. Il existe seulement 2 e ou 3 e ou 4 e ou encore – 2 E ou – 3 e ou – 4 e.

L’exception des quarks, qui ont une charge 1/3 e ou 2/3 e ou – 1/3 e ou – 2/3 e, n’en est pas une car les quarks n’existant pas isolément mais par deux ou trois, tous les ensembles de quarks observés ont une charge globale e ou multiple de e.

Un électron étant chargé –e et un proton +e, il suffit qu’il y ait le même nombre d’électrons que de protons pour qu’un atome soit globalement neutre électriquement et que les molécules, elles-mêmes formées d’atomes neutres électriquement, le soient également.

Le fait que l’antiparticule de l’électron + e ait exactement la même charge que l’électron hormis le signe ( -e), permet à un couple électron-positron de s’annihiler mutuellement, ce qui est à la base de nombreux phénomènes au sein du vide quantique, lui-même fondement à la fois de la matière et de la lumière.

Cependant, la question du mouvement est un problème particulier pour les quantités physiques qui obéissent à la relativité. Les distances changent, les temps changent, les masses changent, l’énergie change mais pas la charge électrique et c’est un peu une énigme, même si le fait que la physique l’admette n’entraîne aucune contradiction avec la théorie ni avec l’expérience.

Si la charge électrique est quantifiée, cela n’empêche pas de pouvoir produire des charges apparentes continues. En effet, il suffit pour cela. En effet, le vide est rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s’annihilent rapidement ensuite. Le vide entourant une particule chargée est transformé par la présence de celle-ci. Dans la paire particule-antiparticule virtuelle du vide, l’une est attirée et l’autre repoussée par la particule électrique. Et c’est vrai de tous les couples vituels qui entourent la particule électrique. C’est ce que l’on appelle la polarisaiton du vide. Du coup, la charge globale de la particule, du moins celle que « ressent » une particule chargée qui l’approche, est modifiée. Ce n’est plus exactement e ou – e mais la charge apparente peut devenir un nombre décimal fois e. Ainsi, la discontinuité fondamentale de la charge a produit une continuité apparente, celle du champ électromagnétique qui entoure la particule chargée et qui va déterminer le mouvement d’une autre particule chargée à l’approche.

L’astrophysicien Cassé écrit dans « Du vide et de la création » :

« Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ».

Michel Paty écrit dans « Nouveaux voyages au pays des quanta » :

« L’électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L’électron se trouve interagir avec la charge d’un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu’un électron quantique n’est jamais « nu » mais « habillé » d’un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d’énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l’électron sont celles de l’électron « habillé » et non celles de l’électron « nu ». Ce dernier n’existe pas réellement, puisqu’il est toujours impensable sans son champ. »

Comme l’écrit Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" : « En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. (...) Ce flou quantique peut heurter l’intuition naturelle (...) ne peut-on envisager l’observation d’un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu’une petite partie de la distance associée à ce flou quantique ? C’est possible mais on ne peut plus distinguer dans ce cas l’électron des multiples autres particules (paires d’électrons et de positrons fugitifs du vide) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court. (...) Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron (le positron est l’antiparticule de l’électron). Ce sont des paires virtuelles (...) L’électron de charge négative va attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. En approchant de l’électron, le photon va se voir entouré d’un "nuage" de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. (...) la masse des particules vient de la structure du vide qui s’est figé au début de l’évolution de l’Univers (...) La diversité de la matière sort de la structure du vide. (...) le vide bouillonne d’activité, il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Ce bouillonnement d’activité est de nature quantique. »

Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta » : « Les particules n’accèdent à l’existence dans le monde ordinaire que grâce à un processus de création-annihilation dans ce plein qu’est le vide. (...) En 1927, Dirac, en cherchant l’équation qui serait capable de rendre compte du comportement de l’électron et satisferait tout à la fois à la théorie quantique et à la théorie de la relativité einsteinienne, (…) s’aperçut qu’il y avait une autre solution (que l’électron) de charge positive. (…) Chaque fois qu’on construit une théorie quantique relativiste pour décrire une particule, la théorie fait apparaître la nécessité de postuler une « antiparticule » symétrique, de charge opposée. Ces antiparticules forment ce qu’on appelle l’antimatière, dénuée de tout le mystère dont on entoure parfois son nom : ce n’est en fait rien qu’une autre forme de la matière, composée d’antiparticules ayant des charges opposées à celles des particules ordinaires. (…) Dirac, tirant les conclusions de la découverte du positron (antiparticule de l’électron), put proposer une description toute nouvelle du vide. Jusqu’alors, on s’était représenté le vide comme réellement vide, on aurait extrait toute forme de matière et de rayonnement, ne contenait strictement rien, et, en particulier, aucune énergie. C’est à Dirac que l’on doit d’avoir, en deux étapes, repeuplé le vide et fait en sorte que le vide ne soit plus vide. »

L’effet Hall quantique fractionnaire, dans un gaz d’électrons soumis à certains champs magnétiques, est le seul autre cas d’expérience interprétable par des charges électriques fractionnaires. Cela ne signifie pas que dans cette expérience les charges soient fractionnaires en tant que charges attribuables individuellement à des particules. L’interprétation de ce phénomène reste controversée mais ce qui ne l’est pas, c’est qu’il s’agisse d’un effet global qui est une propriété émergente de la matière, dans laquelle la charge individuelle des véritables particules est inchangée mais c’est leur effet collectif qui change. Des quasi-particules ont ainsi des charges électriques fractionnaires ou, plus exactement, se comportent comme s’ils en avaient.

Le caractère « quantique » (quantités toujours multiples d’une quantité élémentaire) de la charge électrique a une importance fondamentale dans notre univers puisque c’est lui qui permet à l’atome et à la matière constituée d’atomes (groupe de charges opposées en même nombre) ainsi qu’au photon (couple de deux charges opposées) et au vide (constitué de couples de particules et antiparticules de charges opposées) d’être globalement neutres électriquement.

Pour constater le caractère quantique de l’univers, c’est-à-dire de la matière/lumière/vide, on pense souvent au quanta de Planck h, tout étant constitué de tels quanta ou de leurs multiples. Un système isolé conserve toujours la même quantité de quanta, encore appelée quantité d’action (une action est le produit d’une énergie par un temps). Mais il faut aussi songer à la charge électrique e. Tout est également constitué de charges électriques e ou de leurs multiples (positifs ou négatifs). Les deux phénomènes physiques, charge électrique et quantité d’action, sont également des preuves du caractère fondamentalement discontinu, et même discret, de l’univers malgré les apparences de continuité que donnent les phénomènes ondulatoires. On remarquera qu’un grand nombre de quantités physiques ne sont pas, directement et de manière évidente, de type quantique comme la masse ou l’énergie. On ne se trouve pas, dans de nombreuses expériences, confronté à des multiples d’une masse élémentaire ni à des multiples d’une énergie élémentaire. Pas davantage à des multiples d’une distance élémentaire ni à des multiples d’un champ élémentaire. Pas davantage en ce qui concerne la fréquence pour laquelle il n’existe aps non plus de fréquence élémentaire dont toutes les autres ne seraient que des multiples.

Il y a donc bien des raisons de penser que charges et actions sont deux processus fondamentaux de la matière/lumière/vide.

Quelle est la base réelle de la matière, de la lumière et du vide ? Il s’agit de trouver des caractéristiques fondamentales du réel. Cela suppose des caractéristiques inchangées dans les chocs, dans les compositions/décompositions, dans les créations/annihilations et que l’on retrouve aussi bien dans le vide, dans la matière et dans la lumière, sous toutes leurs formes. Le seul paramètre qui réponde à ces demandes est celui de la charge électrique e : charge positive (par exemple celle de l’électron) ou charge négative (celle du proton). On trouve partout cette charge, y compris dans la particule de masse neutre électriquement comme le neutron. Ce dernier comprend un électron et un proton ainsi qu’une particule neutre. Chaque particule « neutre » peut ainsi être décomposée en un nombre égal de particules d’électricités opposées (un nombre entier de charges e) et en particules neutres. Cela signifie que la charge électrique est inchangée dans les transformations, chocs ou décompositions. Mais cette remarque n’est pas la seule qui nous amène à choisir la charge électrique comme élément de base. La lumière peut également se décomposer en particules de charges opposées, les particules dites virtuelles. Bien des expériences démontrent en effet que le photon, neutre électriquement est sensible au champ magnétique. Cela signifie qu’il se comporte comme un petit aimant, un dipôle électrique : électron et positon virtuels tous les deux. Le vide est également neutre électriquement mais la matière le décompose en dipôles virtuels (électrons/positons). Tout choc suffisamment énergétique en fait autant, produisant des dipôles virtuels.

L’une des plus remarquables étrangetés quantiques est l’effet dit Aharonov-Bohm, dans lequel un champ électromagnétique agit sur un électron qui ne traverse pas ce champ. Cela est non seulement contradictoire avec la physique classique, ce qui est quasi général aux phénomènes quantiques, mais c’est aussi parfaitement étrange pour la physique quantique, comme l’a longuement exposé Mark Silverman dans « And yet it moves » (et pourtant elle bouge). Il s’agit d’un raffinement de l’expérience des deux fentes de Young dans laquelle on place à la sortie des fentes un solénoïde. Ce dernier produit un champ magnétique à l’intérieur du solénoïde mais pas à l’extérieur. Les franges d’interférences produites par les fentes sont alors déplacées en fonction du sens de rotation du champ magnétique. Normalement, ce champ ne devrait avoir aucune action sur les électrons qui passent à côté de lui. Cela signifie que les interférences sont le produit d’effets qui n’agissent pas directement sur le corpuscule lui-même mais sur l’espace vide qui l’entoure. C’est donc bel et bien une manifestation de l’interaction du vide quantique et de l’électron. Car le vide, lui, passe parfaitement à l’intérieur du solénoïde. L’interférence a bien lieu sur le vide qui entoure l’électron.

Les manifestations des effets du virtuel qui entoure la particule sont nombreuses. Le nuage de polarisation permet d’interpréter l’écrantage de la charge électrique de la particule qui évite notamment que l’interaction de l’électron et de son champ ne soit infinie. Il permet également de comprendre que la matière ne s’entasse pas. Par exemple, deux particules de charge opposée s’attirent mais ne s’écrasent jamais une sur l’autre car les couches successives de particules et d’antiparticules virtuelles l’en empêchent. Plus deux particules se rapprochent, plus elles se repoussent. C’est également une interprétation des relations d’inégalités d’Heisenberg. Plus on agit pour cantonner une particule dans un espace restreint plus l’énergie de sortie de la particule de cet espace augmente car les particules et antiparticules virtuelles exercent un effet inverse à l’action de cantonnement.

Tout le fonctionnement des particules, et particulièrement l’interaction matière/lumière, est piloté par les interactions avec le vide quantique. Matière et lumière ont en commun d’être des formes d’organisation du vide quantique. Ils échangent des particules et antiparticules virtuelles lors des absorptions et émissions de lumière par la matière. Les étrangetés quantiques des absorptions/émissions sont liées aux étranges propriétés du virtuel.

Parmi les phénomènes dits « réels » qui sont déterminés par l’interaction avec le vide, on peut citer :

- l’émission spontanée de lumière par la matière

- la polarisation du vide par la particule

- les structures fines des bandes d’énergie des atomes

- l’émission d’une paire électron/positon par un noyau

On remarquera que ce qui se conserve sans cesse dans le vide est également ce qui se conserve à toutes les échelles de la matière, globalement comme localement. Ce n’est ni la masse, ni l’énergie, ni l’espace, ni le temps. C’est la charge électrique qui en se manifeste que dans une seule quantité, soit positive soit négative et dans ses multiples. Or la charge est une caractéristique des particules et antiparticules virtuelles qui, dans le vide quantique, apparaissent et disparaissent toujours en même quantité de charge. Et, à tous les niveaux, la charge est fixe, indépendante y compris de la vitesse, ce qui n’est pas le cas des autres variables. Cela souligne son caractère fondamental.

Les phénomènes les plus étranges de la physique quantique s’interprètent ainsi :

le vide est plein de dipôles virtuels de particules positives et négatives

- les particules virtuelles s’attirent et se repoussent selon leur charge

- les dipôles virtuels très proches forment un ensemble qui apparaît comme neutres

- la proximité d’une autre charge peut éloigner à nouveau les pôles

- les éléments des dipôles proches peuvent se recomposer en échangeant leurs éléments

- l’énergie du vide est stockée et déstockée au travers du rapprochement et de l’éloignement des dipôles

- le photon est composé d’un dipôle virtuel

- toute particule est entourée d’un nuage de polarisation composé de dipôles virtuels

la particule matérielle n’est pas un objet permanent car les particules virtuelles du nuage de polarisation les plus proches se recomposent avec la particule. C’est la particule qui faisait partie du dipôle qui devient la nouvelle particule matérielle avec les mêmes caractéristiques. Cela signifie que tout se passe comme si la particule sautait d’un point à un autre.

La question est donc : la particule est-elle réellement en mouvement ou bien est-ce seulement son ombre (le boson de Higgs) qui se déplace au sein du vide quantique, d’une particule virtuelle à une autre ?

Est-ce la particule chargée dite réelle car elle possède une masse inerte qui se déplace dans le vide ?

N’est-ce pas plutôt la propriété de masse inerte qui saut d’une particule chargée virtuelle du vide à une autre ?

Pour conclure :

Le physicien Léon Lederman écrivait : « Si l’Univers est la réponse, quelle est la question ? »

Lire ici sur les paradoxes de Zénon

Et sur l’effet Zénon quantique

Pour lire encore sur vide et matière

Nous, la particule et le monde, Basarab Nicolescu

2 Messages de forum

  • Ce qui caractérise l’Univers, c’est le mouvement ? 16 décembre 2016 13:14, par alain

    Peut-être que la vitesse d’une particule quantique n’est pas mesurable mais celle d’une molécule l’est certainement puisqu’on connaît le mouvement brownien des molécules, et on peut donc bien parler de mouvement continu, de suivre continûment une molécule sans sauts et sans révolutions…

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  • Ce qui caractérise l’Univers, c’est le mouvement ? 16 décembre 2016 13:16, par Robert Paris

    Eh bien non ! On ne le peut pas. Ce sont des physiciens comme Jean Perrin qui l’ont remarqué en étudiant le mouvement brownien qui est produit par le mouvement moléculaire. Voici ce que Perrin conclue dans « Les atomes » :

    « Jusqu’alors on s’était efforcé de définir une « vitesse moyenne d’agitation » en suivant aussi exactement que possible le trajet d’un grain (les grains de pollens agités par le mouvement brownien des molécules). Les évaluations ainsi obtenues étaient toujours de quelques microns par seconde pour des grains de l’ordre du micron. Mais de telles évaluations sont grossièrement fausses. Les enchevêtrements de la trajectoire (qui est une fractale – note M et R) sont si nombreux et si rapides, qu’il est impossible de les suivre et que la trajectoire notée est infiniment plus simple et plus courte que la trajectoire réelle. De même, la vitesse moyenne apparente d’un grain pendant un temps donné varie follement en grandeur et en direction sans tendre vers une limite quand le temps de l’observation décroît… Laissant donc de côté la vitesse vraie, qui n’est pas mesurable, et sans s’embarrasser du trajet infiniment enchevêtré que décrit un grain pendant un temps donné, Einstein et Smoluchowski ont choisi comme grandeur caractéristique de l’agitation le segment rectiligne qui joint le point de départ au point d’arrivée et qui, en moyenne, est évidemment d’autant plus grand que l’agitation est vive. »

    Comme on le constate dans cet exposé de Perrin, le « mouvement réel » est impossible à suivre et même à définir…

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